物理学院 School of Physics, Nanjing University

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Physical Review X刊登程建春教授课题组关于人工声学扩散体研究的重要进展

2017年06月09日

 

最近,我校物理学院声学研究所、人工微结构科学与技术协同创新中心程建春教授和梁彬教授在超薄人工声学扩散体方面的研究取得突破, 最新研究成果以“Ultrathin Acoustic Metasurface-Based Schroeder Diffuser” 为题发表在2017年6月5日的Physical Review X上 [Phys. Rev. X 7, 021034 (2017)]。该工作与北卡罗来纳州立大学景云博士合作,南京大学博士生朱一凡和硕士生范旭东是论文的共同第一作者,南京大学是论文的第一单位。该工作成功设计制备了基于声超表面的人工施罗德扩散体,将传统施罗德扩散体(Schroeder diffuser,SD)的厚度由波长的1/2减小至1/20。

如何高效产生扩散声场是声学领域的重要问题,传统SD是上世纪70年代提出的经典设计,通过按照特殊的数列来设计各个单元的深度,产生了优化可控的漫反射效果。SD目前已经成为成熟的商用产品,不仅广泛应用于建筑声学及噪声控制等重要场合,亦被证明有望在粒子操控、医学成像乃至能量收集等问题中发挥积极作用。然而,传统SD具有厚度大(约半个波长)、表面不平整等缺点,例如对于频率为250Hz的声波(可听声的典型频率),其厚度将达到70cm左右。这些基本问题在近半个世纪的时间里始终制约着其在低频和中频声波操控方面的应用。

程建春课题组提出了利用声学超表面构建人工施罗德扩散体的理论方法,通过重新审视传统SD设计理论,揭示了造成其在器件厚度及几何外形方面受到制约的根本原因是经典声学理论认为声波相位仅能在传播过程中逐渐累积,因而必须通过改变传播路径长度实现表面相位的调制。针对这一难题,基于声学超表面概念提出了通过激发局域共振在亚波长尺度内产生有限大小的传播相位突变的思路,突破了经典理论的局限。传统SD及基于声超表面施罗德扩散体(Metasurface-based Schroeder diffuser, MSD)的结构对比如图1所示,MSD的单元利用超薄的非经典Helmholtz谐振腔构建,其厚度仅为传统SD的1/10。理论推导及数值模拟都证明了可通过单独改变颈口宽度来实现其反射相位在2π范围内的连续操控。通过对近场散射声压场分布和远场散射指向性进行数值模拟及实验测量(图2和3),并利用扩散因子来进行定量表征(图4),证明了基于声超表面的人工施罗德扩散体具有不亚于商业产品的声学性能,同时展现出尺寸超薄、表面平整、重量轻盈、制备简单及用料节省等重要优势。

近年来,声超表面研究尽管已经揭示了大量新奇的物理现象,但尚未成功应用于解决实际声学难题。该工作在声超表面的基础研究和实际应用之间搭建了桥梁,迈出了其走向实用化的第一步,这对于声超材料研究领域具有重大意义。基于新原理构建的超薄扩散体的实现解决了传统SD长期以来在器件尺寸和几何形状方面受到的基本制约,有望在建筑声学及噪声控制等领域带来技术变革,并产生显著的社会效益与经济价值。

该项工作得到国家自然科学基金、南京大学登峰人才计划(B类)和江苏高校优势学科建设工程项目的支持。

 

图1 传统施罗德扩散体 (左图) 和超薄人工施罗德扩散体 (右图) 的结构示意图
 


 

图2 超薄施罗德扩散体, 传统施罗德扩散体和平板的远场散射指向性对比。

 


图3 超薄施罗德扩散体, 传统施罗德扩散体和平板的声散射场分布对比。上图为实验结果,下图为模拟结果。


 

图4 优化带宽后的超薄施罗德扩散体 (BMSD) (蓝色)和传统施罗德扩散体 (SD) (黑色) 的归一化扩散因子对比。左图和右图分别为正入射和45度入射情形。

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